Bieker, Johannes (2021)
Einsatz metallischer Nanokonen in feldemitterbasierten Vakuumelektronenquellen.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00017596
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

In dieser Arbeit wurden metallische Nanokonen hinsichtlich ihrer Tauglichkeit für den Einsatz als Feldemitter in Vakuumelektronenquellen untersucht. Im Fokus standen die Optimierung des Herstellungsprozesses, die Modellierung des Emissionsstroms für verschiedene Emitterkonfigurationen sowie die experimentelle Untersuchung der angefertigten Elektronenquellen. Das Herstellungsverfahren der metallischen Nanokonen beruht auf der galvanischen Abscheidung von Metall in ionenspur-geätzten Polymermembranen. Dazu werden Polycarbonatfolien, welche zuvor mit schweren Ionen beschossen wurden, asymmetrisch entlang der Ionenspuren geätzt, sodass konische Poren mit einer zufälligen räumlichen Verteilung entstehen. Nach eingehender Betrachtung der Einflüsse der Ätzprozessparameter wurde in dieser Arbeit eine teilautomatisierte Ätzanlage entwickelt, welche die Fertigung von hinreichend großen Polymermembranen für eine Prozessierung auf üblichen 100mm-Wafern ermöglicht. Da die verwendeten Polycarbonatmembranen eine geringe Hydrophilität und damit niedrige Benetzbarkeit durch den zur galvanischen Abscheidung verwendeten Elektrolyten aufweisen, wird eine Aktivierung der Folien durch ein Sauerstoffplasma in den Prozess vorgenommen. Nachfolgend werden mithilfe der präparierten Membranen und einer Mikrogalvanikanlage Gold galvanisch in die Poren abgeschieden und so Nanokonen auf mit Gold bedampften Glaswafern aufgebracht. Mit den verwendeten Polymermembranen ergeben sich Konen mit einer Höhe von 24 µm und Basisdurchmessern von circa 3 µm. Die Spitzendurchmesser der Konen liegen im Submikro- bzw. Nanometerbereich. Zur Optimierung einer Vakuumelektronenquelle sind Modellierungen sowohl der Feldemitter auf der Kathode als auch des zur Elektronenextraktion benötigten Gitters durchgeführt worden. Da in der Literatur zuvor nur unvollständige Modelle von zufällig verteilten Emittern vorhanden waren, wurde ein auf Simulationen mit Finite-Elemente-Methoden (FEM) basierendes elektrostatisches Modell entwickelt. Mit diesem kann der Gesamtemissionsstrom eines großflächigen Feldemitterarrays vorhergesagt und die optimale Emitterdichte in Abhängigkeit von der Emittergeometrie ermittelt werden. Für die gewählte Konengeometrie ergeben sich je nach angelegtem elektrischen Feld eine optimale Emitterdichte von 1 bis 2 · 10^4 Emitter/cm^2. Außerdem wurden die durch das Extraktionsgitter erzeugten elektrostatischen Felder ebenfalls mittels FEM-Simulationen hinsichtlich auftretender Feldschwankungen untersucht, da diese die Stromemission der Konen zusätzlich maßgeblich beeinflussen können. Aus den Simulationen konnte eine Abschätzungsformel abgeleitet werden, welche die Gittergrößen in Abhängigkeit von der Emitterhöhe vorgibt, so dass die Feldinhomogenitäten als vernachlässigbar anzusehen sind. Desweiteren wurden ausführliche Feldemissionsmessungen an Kathoden mit metallischen Nanokonen durchgeführt. Dafür wurden Kathoden mit Konen ähnlicher Geometrie, aber mit drei verschiedenen nominalen Emitterdichten untersucht. Mit einem charakteristischen Feldverstärkungsfaktor von ungefähr 1160 zeigte eine Kathode mit einer Emitterdichte von 4 · 10^5 Emitter/cm^2 die besten Feldemissionseigenschaften. In Stromstabilitätsuntersuchungen bei Raumtemperatur und im Ultrahochvakuum von 10^−9 mbar konnte mit dieser Kathode ein maximaler Kathodenemissionsstrom von 142 µA bei einer Extraktionsspannung von 339 V erreicht werden. Sowohl Kathoden mit einer niedrigeren Emitterdichte von 6 · 10^4 Emitter/cm^2 als auch mit einer höheren Emitterdichte von 1 · 10^6 Emitter/cm^2 produzierten geringere Emissionsströme. Bei Emissionsströmen oberhalb von 100 µA war ein Absinken des Stromes messbar, welches auf eine Degradation der Emitterspitzen durch ionisierte Restgasteilchen zurückzuführen ist. Ein geringerer Emissionsstrom von (31,0 ± 1,3) µA konnte im Gegensatz dazu stabil über eine Dauer von 50 h gemessen werden. Eine Diskrepanz zwischen der durch die Modellierung der Emitter vorhergesagten optimalen Emitterdichte von circa 1 · 10^4 Emitter/cm^2 und den Untersuchungen lässt sich durch eine hohe Zahl an Defekten, wie beispielsweise nicht vollständig gewachsenen Konen, und den unterschiedlich großen Emitterspitzen der vermessenen Kathoden erklären. Auf diesen Messungen aufbauend wurden miniaturisierte Vakuumelektronenquellen angefertigt, welche an den Bauraum eines Ionisationsmanometer vom Typ Leybold IE514 angepasst waren. Nach einer Verbesserung des Herstellungsprozesses hinsichtlich der Homogenität des Konenwachstums wurden dazu Kathoden mit einer nominalen Emitterdichte von 1 · 10^5 Emitter/cm^2 produziert. Diese wurden zusammen mit einem aus Mica-Plättchen gefertigten Abstandshalter und einem als Extraktionsgitter dienenden Wolfram-Gewebe über eine Schraubverbindung kraftschlüssig montiert. Bei nachfolgenden Feldemissionsmessungen zeigte sich, dass das Wolfram-Gewebe trotz seiner hohen optischen Transparenz ungeeignet ist.Um die geforderten Emissionsströme zu erreichen, sind Gitter mit kleineren Gittergeometrien im niedrigen µm-Bereich notwendig. Zudem wurde deutlich, dass eine µm-genaue Positionierung des Extraktionsgitters möglichst nah an den Feldemittern bei gleichzeitiger Berücksichtigung der durch das Gitter erzeugten Feldschwankungen erforderlich ist. Mit Gittern bestehend aus einer mikrotechnisch gefertigen, metallisierten Siliziumnitridmembran wurden überarbeitete Vakuumelektronenquellen montiert und vermessen. Dabei zeigten sich deutliche Verbesserungen in den Feldemissionseigenschaften. Aufgrund von Kurzschlüssen zwischen Kathode und Gitter konnten keine weiteren Stromstabilitätsmessungen durchgeführt werden. Jedoch wird das weitere Optimierungspotential der Vakuumelektronenquellen aufgezeigt. Die vorliegende Arbeit zeigt die generelle Eignung von metallischen Nanokonen als Feldemitter in Vakuumelektronenquellen. Sie bildet die Grundlagen für die weitere Fertigung von Vakuumelektronenquellen, welche die Anforderungen hinsichtlich der zu erreichenden Emissionsströme und deren Stabilität für den Einsatz in Ionisationsmanometern erfüllen können.

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